基于激光擴束的泊松亮斑實驗方案

楊異秉 周旭孟

（寧波市效實中學，浙江 寧波 315000）

泊松亮斑是一種由于光的衍射而產生的光學現(xiàn)象.當單色光照射在小圓盤或小圓珠上時，會在之后的光屏上出現(xiàn)環(huán)狀的互為同心圓的衍射條紋，并且在所有同心圓的圓心處會出現(xiàn)一個極小的亮斑（如圖1），稱為泊松亮斑.［1］這個實驗現(xiàn)象證實了光具有波動性.有意思的是，最早計算得到這個結論的法國物理學家泊松本是想用“中心點的光穿過障礙物到達光屏”這個與常識相違背的結論來推翻光的波動說，結果反而證實了光的波動說，因此泊松亮斑實驗也是物理史上一次著名的反證實驗.［2］

圖1 泊松亮斑實驗示意圖

1 傳統(tǒng)方案

圖2所示為某高中物理課堂上演示泊松亮斑實驗的方案.用強磁磁化大頭針并固定于鐵架臺上，令其針尖吸住直徑約為6mm的小鋼珠，然后用氦氖激光器從4m遠處對準小鋼珠照射，可以在小鋼珠背后的投影屏幕上看到光的衍射形成的亮暗條紋（如圖3），其中心為一亮點——泊松亮斑，這個現(xiàn)象可由惠更斯—菲涅爾原理解釋.［1］

圖2 用激光照射小圓珠的方法演示泊松亮斑實驗

圖3 相應的衍射圖樣

該演示方案存在以下不足之處.

（1）小鋼珠直徑很小，而氦氖激光器需從遠處對準鋼珠照射，在課堂演示時調試難度較大，稍有偏差就可能得不到泊松亮斑圖樣，或者所得圖樣失真.

（2）小鋼珠直徑小，激光光束細，因此得到的泊松亮斑圖樣暗部面積較小，中央亮點不明顯.

（3）激光到小鋼珠、小鋼珠到光屏的距離大，對于教室空間有較高的要求.

2 改進方案

以上方案主要問題在于激光束太細，如果直接照射直徑較大的圓盤，將很難觀察到衍射圖樣，因此只能照射小鋼珠，而小鋼珠尺寸小，會導致衍射圖樣暗部面積小，亮斑不夠明顯.為了讓實驗效果更明顯，我們考慮利用凹透鏡和凸透鏡的組合先將激光擴束（如圖4），讓擴束后的光照射直徑較大的圓盤，得到衍射圖樣.

圖4 擴束鏡原理

圖5和圖6分別為200mW的激光未經擴束和經過擴束后，打在相同距離的屏幕上的光點比較.經過擴束后的光束變粗，可以照射尺寸較大的圓盤，得到更為明顯而清晰的衍射圖樣.我們用擴束激光從1m遠處照射直徑約19mm的1角錢硬幣（如圖7），得到的衍射圖樣如圖8所示.可以看到衍射圖樣中央有很明顯的泊松亮斑.

圖5 未經擴束的激光光點

圖6 經過擴束的激光光點

圖7 以一角硬幣替代小鋼珠作為障礙物

圖8 改進后的衍射圖樣

3 結語

利用擴束后的激光照射大尺寸圓盤的實驗方案相較傳統(tǒng)方案具有以下幾點優(yōu)勢.

（1）障礙物尺寸增大，使得實驗裝置調試更為方便，可操作性強.

（2）大尺寸圓盤使得衍射圖樣中央陰影區(qū)域面積增大，中央亮點更為明顯.

（3）對教室空間沒有太高要求.

此外，擴束后激光橫截面積變大，可操作性更強，除了泊松亮斑實驗，還可以給學生演示各種形狀、各種邊界的障礙物在光照下的衍射圖樣，圖9為擴束激光照射相互緊靠的兩個鋼球得到的衍射圖樣.

圖9 光照射相互緊靠的兩個鋼球的衍射圖樣